CN101286589A - 基于双模双阻带滤波器的超宽带多阻带天线 - Google Patents

Abstract

基于双模双阻带滤波器的多阻带超宽带天线涉及一种可应用于短距离无线通信，数据传输的超宽带天线技术，该类天线可有效地解决宽带通信系统受其它现有窄带通信系统信号干扰的问题。它采用了一种双模双阻带滤波器技术，可以使用单层平面印刷电路技术实现，特别适合于需要抑制多个干扰的超宽带通信系统中，它是基于一种新型的双模双阻带滤波器和圆盘天线等技术之上设计而成的。此双阻带滤波器由微带耦合线和一个基片集成波导半模腔体构成，微带耦合线和半模基片集成波导腔体各对应于一个谐振模式从而能提供两个阻带。它采用普通的单层PCB板工艺实现，设计和加工简单。该类天线集成度高，阻带抑制效果好，在超宽带通信系统中具有很好的应用前景。

Description

基于双模双阻带滤波器的超宽带多阻带天线

技术领域

本发明涉及一种可应用于短距离无线通信，数据传输的超宽带天线技术，该类天线可有效地解决宽带通信系统受其它现有窄带通信系统信号干扰的问题。它采用了一种双模双阻带滤波器技术，可以使用单层平面印刷电路技术实现，特别适合于需要抑制多个干扰的超宽带通信系统中。

背景技术

超宽带通信系统在短距离无线接入和高速数据传输中具有很好的应用前景，它在近些年取得了很大的进展，但是它的广泛应用仍然面临着许多需要解决的实际问题。其中一个重要的困难是如何处理来自其它通信或邻近射频系统的干扰，比如WLAN(无线局域网)工作在2.4GHz(2400-2484MHz)，5.2GHz(5150-5350MHz)，和5.8GHz(5725-5825MHz)处，WiMAX(微波存取全球互通)系统工作在2.5GHz(2500-2690MHz)，3.5GHz(3400-3690MHz)和5.8GHz(5250-5825MHz)处，其它还有蓝牙和全球定位系统等，它们都将对超宽带工作系统构成干扰。因此，设计一种具有多个阻带的宽带天线，用来滤除现有窄带信号的干扰，是非常有必要的。较常用的方法在贴片上开槽，比如U形，V形和L形槽等。另一种方法是在贴片上加载圆形或者方形的开口谐振环，或者设计多个工作在不同频带的天线相互形成阻带。这三种方法存在固有的局限性，一方面所形成的阻带品质因素比较低，带宽过大，抑制较小。另一方面是较难形成多个阻带，天线性能也会在形成多阻带时恶化。因此，需要寻找其它更有效的方法。半模基片集成波导(HMSIW)相比于微带传输线等具有较高的品质因素，损耗低，功率容量大，并且能很好地实现与平面系统集成，它相比于基片集成波导(SIW)进一步减小了腔体体积，它们可利用普通单层PCB工艺实现，便于加工，但是它不太容易和微带结合设计阻带滤波器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于双模双阻带滤波器的多阻带超宽带天线，它使用了半模基片集成波导腔体和微带耦合线结构，可以产生双模效应，每个模式对应于一个阻带，并且产生的阻带具有较高的品质因素，高次模式带来的影响比较小，它可以很好地满足现代超宽带通信系统需要很好地抑制多方干扰的要求。

技术方案：本发明提供了一类高性能的多阻带超宽带天线，它是基于一种新型的双模双阻带滤波器和圆盘天线等技术之上设计而成的。此双阻带滤波器由微带耦合线和一个基片集成波导半模腔体构成，微带耦合线和半模基片集成波导腔体各对应于一个谐振模式从而能提供两个阻带。它采用普通的单层PCB板工艺实现，设计和加工简单。该类天线集成度高，阻带抑制效果好，在超宽带通信系统中具有很好的应用前景。

本发明采用如下技术方案：

该天线使用了单层介质基片，在介质基片的上下表面均敷有金属铜箔，下层金属铜箔作为天线和微带的地，上层金属铜箔是50欧姆微带线和圆盘贴片。在微带旁边设有微带耦合线，耦合线再通过微带连向一个基片集成波导半模腔体。基片集成波导半模腔体是由上下金属贴片以及连接金属贴片的金属化通孔构成的。它的一边是开放结构，其它三边可等效为电壁。天线的地作了圆形弧线渐变过渡，以改善阻抗匹配。天线辐射体使用了标准圆盘。

本发明的基于双模双阻带滤波器的多阻带超宽带天线包括介质基片和位于介质基片上下表面的金属铜箔，金属化通孔贯穿于介质基片，在介质基片上表面设有金属铜箔制成的圆盘天线、微带馈线、微带耦合线、半模腔体贴片、和连接微带耦合线与半模腔体的微带线；半模腔体由半模腔体贴片、金属化通孔和位于背面的金属地组成，圆盘天线与微带馈线连接，在微带馈线的一侧设有微带耦合线，微带耦合线通过微带线连接半模腔体贴片，在半模腔体贴片上不与微带线连接的3条边上分别设有金属化通孔。它的三边均由金属化通孔构成，可以等效为电壁，开放边界可以近似为磁壁；能量通过50欧姆微带线传输至圆盘天线处，在阻带频率点处，能量经微带耦合线，半模腔体和微带线组成的双模谐振器作用后返回至输入端。

使用了一个基片集成波导半模腔体来产生谐振并提供阻带。该腔体具有较高的品质因数，所以生成的阻带带宽较小，抑制比较充分。并且由于其馈电微带线位于腔体的正中间，所以所有偶数模式均无法通过。因此第二个高次模距离较远，天线的可工作带宽大大展宽了。

通过腔体短路到地的耦合微带线同样可以提供一个谐振点，从而产生一个对应的阻带，它类似于L型谐振器。它与半模腔体一起构成一个双模谐振器，提供两个谐振点。

微带线和微带耦合线之间的空隙可以控制耦合量，从而可以控制阻带的带宽。

微带耦合线长度和半模腔体的增加大小，可以减小谐振频率，使阻带下移。

圆盘天线的金属地采用了圆弧状的渐变线，用于阻抗匹配，增加工作带宽。

有益效果：

1.该双模滤波器可以提供两个阻带，阻带的频率位置和带宽均是可控的，这非常便于用来抑制干扰信号，利用两个这种滤波器便可以提供四个阻带，容易实现多阻带抑制。其中阻带频率可以通过改变半模腔体尺寸和耦合微带线的长度实现，而带宽调整可以通过改变耦合微带线和微带线之间的距离实现。

2.该类天线可以使用单层PCB工艺加工实现，设计比较简单，加工成本低，平面结构适合与其它电路进行集成。

3.该类天线所产生的阻带具有较高的Q值，阻带比较陡，带宽较小，抑制比较充分，非常适合用于抵抗现有WLAN和WiMAX等系统的干扰。

4.该类天线使用了基片集成波导半模腔体技术，有效地减小了腔体尺寸，有利于天线的小型化和集成化。

5.该类天线受滤波器高次模的影响较小，因此具有极大的工作带宽，可以覆盖整个UWB工作频率。

附图说明

图1基于双模双阻带滤波器的超宽带多阻带天线结构示意图。

图2双阻带超宽带天线回波损耗测试结果图。

具体实施方式

双模双阻带滤波器包括介质基片和在介质基片上下所敷的金属铜箔，以及连接铜箔的金属化通孔5组成。能量主要通过50欧姆微带馈线1进行传输，在微带馈线1一侧设有微带耦合线3、耦合线3通过微带线7连接至基片集成半模腔体4。半模腔体4由半模腔体贴片6、金属化通孔5和金属地9组成，它的三边均由金属化通孔5构成，可以等效为电壁，另一边呈开放结构，可以近似为磁壁。微带线7由半模腔体4开放边界中心接出连向耦合微带线3中心。通过腔体接地的耦合微带线3可以构成一谐振器，而通过微带连接的半模腔体4也可以构成一谐振器。因此两者结合起来可以组成一双模结构，和微带馈线1共同组成了一双模双阻带滤波器。

天线设计在基片的上表面金属上，采用了圆盘天线。它由圆盘10，微带馈线1，以及圆弧过渡的金属地9实现。金属地9的边进行圆弧过渡主要是为了更好的实现阻抗匹配，以实现更大的工作带宽。

实施实例为基于双模双阻带滤波器的超宽带天线。

天线设计所使用的基片材料均为f4bk，介电常数为2.65，在10GHz处的正切角损耗为0.001。基片厚度为0.5mm。所使用金属为0.018mm厚的铜。整个天线尺寸约为8mm×4mm，如果使用高介电常数的基片，滤波器的尺寸可以进一步减小。

微带和耦合微带线之间的距离可以改变耦合量，从而控制阻带的带宽。耦合微带线和传统的L型谐振器类似，因此可以提供一个谐振点，生成一个阻带。半模腔体也可以提供一个谐振模式，其工作的主模为半TE₁₀₁模。由于连接该半模腔体的微带线位于腔体开放边界的中间，因此半TE₂₀₁模无法将能量耦合出来，因为该模式的电场在腔体中间为零。由于半模腔体一边是开放结构，因此它也无法支持垂直开放边界方向上的偶数模式。而微带耦合线对应的高次模也相距比较远，所以此阻带滤波器受高次模的影响较小，可以提供很大的工作频率范围，覆盖了整个UWB频率。半模腔体所对应的阻带主要由腔体大小控制，同时也会略受耦合微带线的影响。总体而言，两个频带是可以独立控制的。

Claims (3)

1.一种基于双模双阻带滤波器的多阻带超宽带天线，其特征在于该天线包括介质基片和位于介质基片上下表面的金属铜箔，金属化通孔(5)贯穿于介质基片，在介质基片上表面设有金属铜箔制成的圆盘天线(10)、微带馈线(1)、微带耦合线(3)、半模腔体贴片(6)、和连接微带耦合线(3)与半模腔体(4)的微带线(7)；半模腔体(4)由半模腔体贴片(6)、金属化通孔(5)和位于背面的金属地(9)组成，圆盘天线(10)与微带馈线(1)连接，在微带馈线(1)的一侧设有微带耦合线(3)，微带耦合线(3)通过微带线(7)连接半模腔体贴片(6)，在半模腔体贴片(6)上不与微带线(7)连接的3条边上分别设有金属化通孔(5)。

2.根据权利要求1所述的基于双模双阻带滤波器的多阻带超宽带天线，其特征在于微带耦合线(3)长度和半模腔体(4)的增加大小，可以减小谐振频率，使阻带下移。

3.根据权利要求1所述的基于双模双阻带滤波器的多阻带超宽带天线，其特征在于圆盘天线(10)的金属地(9)采用了圆弧状的渐变线，用于阻抗匹配，增加工作带宽。

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